Катодна дугова осадження

Катодне дугове осадження або Arc-PVD є фізичним методом осадження парів , в якому електрична дуга використовується для випаровування матеріалу з катодної мішені. Випарований матеріал потім конденсується на підкладці, утворюючи тонку плівку . Техніка може бути використана для зберігання металевих , керамічних та композиційних плівок.

Процес

Процес випаровування дуги починається з виявлення високої струму дуг низької напруги на поверхні катода (відомий як мішень), що породжує невелику (зазвичай кілька мікрометрів ), високоенергетичну випромінюючу зону, відому як катод місце Локалізована температура на катодній точці надзвичайно висока (близько 15000 ° С), що призводить до струменя високої швидкості (10 км / с), що поглинає катодний матеріал, і залишає кратер позаду поверхні катода. Катодна поверхня активна лише протягом короткого проміжку часу, після чого вона автоматично гасить і знову спалахує в новій області, близькій до попереднього кратера. Ця поведінка викликає очевидний рух дуги.

Оскільки дуга в основному є струмопровідним провідником, це може впливати на застосування електромагнітного поля , яке на практиці використовується для швидкого переміщення дуги по всій поверхні мішені, так що загальна поверхня з часом ероджується.

Дуга має надзвичайно високу щільність потужності, що призводить до високого рівня іонізації (30-100%), багаторазових заряджених іонів , нейтральних частинок, кластерів та макрочастинок (крапель). Якщо в процесі випаровування вводять реактивний газ, під час взаємодії з потоком іонів може виникати дисоціація , іонізація та збудження, і наносяться складні плівки.

Одним з недоліків процесу випаровування дуги є те, що якщо катодна пляма занадто довго залишається в точці випаровування, вона може викидати велику кількість макрочастинок або крапель. Ці краплі завдають шкоди продуктивності покриття, оскільки вони погано кріпляться і можуть пройти через покриття. Що ще гірше, якщо катодне цільове речовина має низьку температуру плавлення, таку як алюміній, то катодна пляма може випаровуватися через ціль, внаслідок чого або матеріал основної плити пластику випаровується, або охолоджуюча вода, що надходить у камеру. Тому магнітні поля, як згадувалося раніше, використовуються для керування рухом дуги. При використанні циліндричних катодів катоди також можуть бути повернені під час осадження. Не дозволяючи катодному місцю залишатися в одному положенні занадто довго, можна використовувати алюмінієві цілі та зменшити кількість крапель. Деякі компанії також використовують фільтрувані дуги, які використовують магнітні поля, щоб відокремити краплі від потоку покриття.

Дизайн обладнання

Катодний дуговий джерело типу Сабель, найпоширеніший на Заході, складається з короткої циліндричної форми електропровідної мішені на катоді з одним відкритим кінцем. Ця мета має електрично плаваюче металеве кільце, оточене робочим як дуговий ущільнювальне кільце (Стрельницький щит). Анодом для системи може бути або стіна вакуумної камери або дискретний анод. Точки дуги генеруються механічним триггером (або запалюванням), що вражає відкритим кінцем цілі, що робить тимчасове коротке замикання між катодом і анодом. Після формування дугових плям вони можуть управлятися магнітним полем або рухатися випадковим чином за відсутності магнітного поля.

Плазмовий промінь з джерела катодної дуги містить кілька більших кластерів атомів або молекул (так званих макрочастинок), які перешкоджають його корисності для деяких застосувань без певної фільтрації. Існує багато конструкцій макрочастинкових фільтрів, і найбільш вивчений дизайн заснований на роботі І. І. Аксенова та співавт. в 70-х. Він складається з каналу четвертого тору, зігнутого на 90 градусах від дугового джерела, і плазма керується з каналу за принципом плазмової оптики.

Існують також інші цікаві конструкції, такі як дизайн, який включає в себе прямий повітропроникний фільтр, вбудований у катод з усіченою конусою, як повідомляє Д. А. Карпов у 90-х роках. Цей дизайн став досить популярним серед тонких фільмів та дослідників у Росії та країнах колишнього СРСР до цих пір. Катодне джерело дуги може бути зроблено в довгій трубчастої форми (розширеної дуги) або довгій прямокутній формі, але обидва конструкції менш популярні.

Програми

Катодне дугове осадження активно використовується для синтезу надзвичайно твердої плівки для захисту поверхні ріжучих інструментів та значного збільшення їхнього життя. За допомогою цієї технології можна синтезувати широкий асортимент тонких твердоплівкових , надтвердих покриттів та нанокомпозитних покриттів, включаючи TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN та TiAlSiN .

Це також широко застосовується особливо для осадження вуглецевих іонів для створення алмазоподібних вуглецевих плівок. Оскільки іони вибухаються з поверхні в балістичному плані , це є загальним для не тільки окремих атомів, але і більших кластерів атомів, що викидаються. Таким чином, для такої системи потрібен фільтр для видалення атомних кластерів з променя до осадження. Плівка DLC з фільтруваної дуги містить надзвичайно високий відсоток сплаву алмазу, який відомий як чотиригранний аморфний вуглець або та-С .

Відфільтрована катодна дуга може бути використана як джерело іонів / плазми металів для іонної імплантації та імплантації та осадження плазми іммерсійних іонів (PIII & D).